DE2854080A1

DE2854080A1 - Druckempfindliches widerstandselement

Info

Publication number: DE2854080A1
Application number: DE19782854080
Authority: DE
Inventors: Akio Nakamura; Ryoichi Sado
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1977-12-15
Filing date: 1978-12-14
Publication date: 1979-06-28
Also published as: US4203088A; US4210895A; JPS5482699A; DE2854080C2

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein druckempfindliches Widerstandselement oder einen durch Druckeinwirkung gesteuerten Rheostaten.

Druckempfindliche Widerstandselemente oder druckgesteuerte Rheostaten dienen in den verschiedensten elektrischen Schaltstufen zur Veränderung des elektrischen Widerstandes durch Veränderung , Steuerung oder Regelung der Druckkraft, die auf das druckempfindliche Widerstandselement ausgeübt wird. So wird beispielsweise die Drehzahl einer elektrischen Nähmaschine durch Druck auf einen Fußschalter gesteuert, der ein solches druckempfindliches Widerstandselement enthält. Die Drehzahl der Nähmaschine wird also durch die Kraft gesteuert, mit der der Fuß des Benutzers auf den Schalter drückt. Auch kann beispielsweise die Lautstärke eines Kraftfahrzeug-Signalhorns durch die Kraft gesteuert werden, mit der der Hupknopf oder Hupring gedrückt wird, wenn der elektrische Steuerkreis für das Signalhorn mit einem druckempfindlichen elektrischen Widerstandselement versehen ist.·

Die bekannten druckempfindlichen Widerstandselemente können nach ihrer Arbeitsweise in drei Klassen eingeteilt werden. Zur ersten Gruppe gehören Rheostaten, bei denen die Größe einer Kontaktfläche zwischen einem elektrisch leitenden Elastomerkörper, der mit feinverteiltem Kohlenstoff gefüllt ist, und mit diesem Elastomerkörper in Berührung stehenden Elektroden als Funktion des zwischen beiden Gliedern wirkenden Drucks verändert wird. Durch diese Druckeinwirkung wird der elektrische Widerstand des Elastomerkörpers ver-

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ändert. Bei den druckempfindlichen Widerstandselementen der zweiten Gruppe sind in einem elektrisch isolierenden Elastomer als Matrix feine Metallteilchen dispergiert. Die Widerstandsänderung in diesen Bauelementen wird durch eine Veränderung der elektrischen Kontaktbedingungen zwischen diesen dispergierten Metallteilchen bewirkt, wobei die Kontaktbedingungen der dispergierten Metallteilchen untereinander eine Funktion der Verformung der gummielastischen Matrix unter Einwirkung der veränderlichen Druckkraft ist. Die druckempfindlichen Widerstandselemente der dritten Gruppe bestehen aus kristallinen Werkstoffen, beispielsweise aus Bariumtitanat, bei denen der elektrische Widerstand der Kristalle ebenfalls eine Funktion des einwirkenden äußeren Drucks ist.

Jede dieser drei Gruppen von druckgesteuerten Rheostaten weist spezifische Nachteile auf. So werden für die druckempfindlichen Widerstandselemente der ersten Gruppe relativ große Kontaktflächen und relativ große Druckkräfte benötigt, um Änderungen des elektrischen Widerstandes in der benötigten Größe zu bewirken. Diese Widerstandselemente sind also zu unempfindlich, um geringere Druckänderungen ausreichend als elektrische Widerstandsänderung abzubilden und müssen gleichzeitig für viele Anwendungszwecke mit zu großen Abmessungen hergestellt werden, um überhaupt einsetzbar zu sein. Außerdem weisen die elektrisch leitenden Elastomerkörper der druckempfindlichen Widerstandselemente der ersten Gruppe in aller Regel eine nur mäßige mechanische Festigkeit auf, und zwar speziell einen viel zu hohen Druckverformungsrest. Im Vergleich zu anderen Elastomeren unter gleichen Belastungen weisen die Elastomerkörper der druckempfindlichen Widerstandselemente der ersten Gruppe eine viel zu kurze Standzeit auf. Insbesondere zeigen sie ein ungenügendes Standverhalten bei zyklischer Dauerbelastung. Dieses Versagen ist vor allem auf unübersehbare

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Veränderungen der Oberflächenzustände zurückzuführen, die beim Einsatz der druckempfindlichen Widerstandselemente zu nicht ausreichend genau reproduzierbaren Druck-Widerstands-Kennlinien Anlaß geben.

Die Widerstandselemente der zweiten Gruppe weisen zunächst die gleichen Nachteile wie die Widerstandselemente der ersten Gruppe auf. Durch das wiederholte zyklische Belasten und Entlasten des gummielastischen Widerstandselements wird durch einen allmählichen Abbau der inneren Struktur des Elements auch sein elektrischer Widerstand abgebaut, und zwar in einem Maß, daß dieser Abbau letztlich zu KurzSchlußbedingungen in der Schaltstufe führen kann. Solche druckempfindlichen Widerstandselemente sind also vor allem unzuverlässig in der Anwendung. Diese Kurzschlußanfälligkeit ist dabei direkt auf die Verwendung von Metallpartikeln in der Gummimatrix zurückzuführen.

Die druckempfindlichen Widerstandselemente der dritten Gruppe weisen zwar eine hohe Zuverlässigkeit und eine außerordentlich gute Reproduzierbarkeit der Widerstandsänderungen als Punktion des auf den Widerstandskörper einwirkenden Druckes auf, weisen dafür jedoch den empfindlichen Nachteil einer starken Temperaturabhängigkeit ihres elektrischen Widerstandes auf. Auch sind die erzielbaren Bereiche der Widerstandsänderung für die meisten Einsatzzwecke zu schmal.

Angesichts dieses Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein druckempfindliches Widerstandselement der eingangs genannten Art zu schaffen, das die Nachteile der bekannten Rheostaten nicht aufweist und bei hoher Druckempfindlichkeit, einem breiten Widerstandsänderungsbereich und hoher Zuverlässigkeit eine lange Standzeit ermöglicht.

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Zur Lösung dieser Aufgabe wird ein druckempfindliches Widerstandselement der eingangs genannten Art vorgeschlagen, das erfindungsgemäß die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 genannten Merkmale aufweist.

Zusammengefaßt schafft die Erfindung also ein druckempfindliches Widerstandselement oder einen druckgesteuerten Rheostaten, der im wesentlichen aus einer hinsichtlich ihrer elektrischen Leitfähigkeit anisotropen Folie aus einem Materialverbund besteht, wobei dieser Materialverbund der Folie aus einer Matrix eines elektrisch isolierenden gummielastischen Elastomers, vorzugsweise Silicongummi, und elektrisch leitenden Fasern besteht, vorzugsweise Kohlenstoffasern, die in der Matrix senkrecht zur Hauptebene der Folie ausgerichtet sind. Die beiden einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen der Folie sind fest mit Elektroden verbunden. Der zwischen diesen beiden Elektroden auftretende Widerstand ist eine auch langfristig stabile und reproduzierbare Funktion der auf die Elektroden einwirkenden Druckkraft. Auch nach zahllosen Belastung-Entlastung-Zyklen werden die Widerstandskennlinien vollkommen genau eingehalten. Die druckabhängigen elektrischen Widerstandselemente der Erfindung zeichnen sich daher inbesondere durch eine außerordentlich hohe Zuverlässigkeit und lange Standzeit aus.

Kernstück des druckempfindlichen Widerstandselementes der Erfindung ist also eine elektrisch anisotrop leitende gummielastische Folie, die ein Verbundwerkstoff aus einer Elastomermatrix ist, in der elektrisch leitende Fasern dispergiert sind. Die Fasern sind in einer Richtung ausgerichtet und angeordnet, die zumindest im wesentlichen senkrecht zur Hauptebene der Folie steht. Die Folie weist also eine nennenswerte elektrische Leitfähigkeit nur in dieser Richtung, also nur in Richtung senkrecht zu ihrer

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Hauptebene auf. Die beiden einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen des folienförmigen Verbundmaterials sind mit Anschlußelektroden versehen.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in graphischer Darstellung die Verteilung der elektrisch leitenden Fasern in der elektrisch anisotrop leitenden Verbundmaterialfolie als Funktion der Folienstärke;

Figuren

2 bis 6 in schematischer Querschnittsdarstellung fünf verschiedene Ausführungsbeispiele für das druckempfindliche Widerstandselement der Erfindung und

Fig. 7 in graphischer Darstellung den elektrischen Widerstand des druckempfindlichen Widerstandselementes als Funktion der Druckkrafteinwirkung in Einheiten der prozentualen Kompression der Folie.

Die anisotrop elektrisch leitfähige Folie ist ein Verbundmaterial, das aus einer Matrix aus einem gummielastischen Elastomer und zahllosen in dieser Matrix eingebetteten elektrisch leitfähigen Fasern besteht, die mit ihren Längsachsen im wesentlichen senkrecht zur Hauptebene bzw. zu den Hauptoberflächen der Folie ausgerichtet sind. Dabei weisen die elektrisch leitfähigen Fasern eine solche Längenverteilung auf, daß ein Teil dieser Fasern die Folie von einer ihrer Hauptoberflächen bis zur gegenüberliegenden Hauptober-

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fläche durchsetzen. Der Rest der Fasern ist nicht lang genug, um die Folie von einer zur gegenüberliegenden Oberfläche zu durchsetzen.

Die elektrisch leitfähigen Fasern besitzen vorzugsweise gute elastische Kenndaten, insbesondere einen hohen Elastizitätsmodul. Diese elektrisch leitenden Fasern sind vorzugsweise Fasern, dünne Drähte oder Hohlfasern aus Kohlenstoff, Graphit und Metallen wie insbesondere Nickel-Silber-Legierungen, Edelstahl, Nickel, Wolfram und anderen sowie aus Phosphorbronzefasern mit Edelmetallauflage. Der Durchmesser der Fasern liegt vorzugsweise im Bereich von 5 bis 200 μΐη.

Das gummielastische Elastomer, das als Matrix dient, kann sowohl irgendein Naturgummi als auch ein synthetischer Gummi sein. Vorzugsweise wird als Matrixwerkstoff ein Silicongummi eingesetzt, dessen Kenndaten für den beabsichtigten Verwendungszweck besonders günstige Werte zeigen, und zwar insbesondere im Hinblick auf die Wärmestabilität, die elektrischen Kenndaten, die mechanischen Kenndaten, die chemische Beständigkeit und die Witterungsbeständigkeit. Dabei braucht das gummiartige Elastomer durchaus nicht unbedingt im strengen Sinn ein elektrischer Isolator zu sein. Vielmehr reicht es für die meisten Anwendungszwecke vollständig aus, wenn der spezifische elektrische Widerstand des Elastomers um mindestens 10² Ohm·cm größer als der spezifische elektrische Widerstand der elektrisch leitenden Fasern ist.

Zur Herstellung des elektrisch anisotrop leitenden Folienverbundmaterials werden zunächst die elektrisch leitenden Fasern und die unvernetzte Elastomermischung so miteinander vermischt, daß die Fasern in der unvernetzten Matrix homogen verteilt sind. Dabei wird die Elastomermischung gleichzeitig

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plastifiziert. Das Einmischen der Fasern in die plastifizierte unvernetzte Elastomermischung kann in gebräuchlicher Weise auf einer üblichen Mischvorrichtung erfolgen, beispielsweise auf einem Walzenmischer, einem Innenmischer oder in einem Kneter. Bei diesem Vorgang werden nicht nur die Fasern homogen in der plastifizierten Matrix verteilt, sondern werden zu lange Fasern gleichzeitig in der benötigten Weise verkürzt. Bei ungenügender Verkürzung der Faserlänge, also bei der bloßen Dispersion zu langer Fasern kann bei der anschließenden Ausrichtung der Fasern kein ausreichend hoher Ordnungsgrad erzielt werden. Dies wiederum führt dazu, daß im Fertigprodukt die Anisotropie der elektrischen Leitfähigkeit nicht die benötigt hohen Werte erreicht. Auf der anderen Seite führt ein zu langes Kneten oder Vermischen der Fasern mit der unvernetzten plastifizierten Matrix zu einer im Mittel zu starken Verkürzung der Fasern, so daß das Fertigprodukt entweder überhaupt keine oder eine nur unzureichende elektrische Leitfähigkeit aufweist. In den Fällen, in denen sich diese herstellungstechnischen Prozeßparameter nicht ausreichend genau einstellen und reproduzieren lassen, werden vorzugsweise elektrisch leitende Fasern ausgewählt, die mechanisch so fest sind, daß sie während des Mischens und Plastifizierens in der jeweils verwendeten Mischvorrichtung praktisch nicht mehr verkürzt werden. Diese Fasern müssen dann vor dem Einmischen in die Elastomermischung auf die benötigte Länge geschnitten werden, wobei diese Länge im Bereich zwischen 0,2 und 10 mm liegen kann.

Nach Abschluß des plastifizierenden Mischens wird das erhaltene Gemisch einer Verfahrensstufe unterzogen, in der die homogen in der Matrix dispergierten elektrisch leitfähigen Fasern gleichsinnig ausgerichtet werden. Zu diesem Zweck wird das plastifizierte Gemisch in einer vorgegebenen Richtung, nämlich in der Richtung, in der die Fasern ausgerichtet werden sollen, plastisch verformt.

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Die für diese gerichtete plastische Verformung erforderliche mechanische Spannung wird durch einen Schraubenverdichter, durch einen Zahnradverdichter oder durch eine Kolbenpumpe aufgebracht. Zu diesem Zweck können prinzipiell auch beliebige andere an sich im Bereich der Gummi-und Kunststoffverarbeitung eingesetzte und bekannte Vorrichtungen verwendet werden, insbesondere Extruder, Spritzgießmaschinen oder Kalander.

Durch die vorstehend beschriebene plastische Verformung werden die elektrisch leitenden, in der plastifizierten Matrix dispergierten Fasern im wesentlichen parallel zur Richtung des im plastifizierten Gemisch erzeugten plastischen Flusses ausgerichtet. Diese plastische Masse wird dabei kontinuierlich zu Rundprofilen, Rohren, Folien, Bändern oder anderem Profil- oder Bahnmaterial mit prinzipiell beliebigem Querschnitt ausgeformt. Die so extrudierten Profile der Elastomermischung mit den dadurch in Flußrichtung ausgerichteten elektrisch leitenden Fasern können bündelweise zu neuen Einheiten zusammengefaßt werden. Die so extrudierte plastifizierte Gummimischung wird dann durch Abkühlen oder Vernetzen verfestigt und anschließend zumindest im wesentlichen senkrecht zur Ausrichtung der elektrisch leitenden Fasern zu Scheiben oder Folienstückchen aufgeschnitten. Dabei werden die anisotrop elektrisch leitfähigen Folien oder Scheiben aus dem Verbundmaterial erhalten, die das Kernelement der druckempfindlichen Widerstandselemente der Erfindung bilden. Die Dicke dieser Folienkörper kann dabei entsprechend der beabsichtigten Verwendung gewählt werden.

Die im Rahmen der Erfindung verwendeten Elektroden sind vorzugsweise Plättchen aus Gold, Silber, Nickel oder einer Nickel-Silber-Legierung oder sind Plättchen aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, die galvanisch oder durch Aufdampfen

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im Vakuum mit einer Edelmetallauflage versehen sind. Alternativ können die Elektroden aber auch aus anderen elektrisch leitfähigen Werkstoffen bestehen und auf der Oberfläche des gummielastischen Körpers angeformt oder angebracht sein. Als solche Werkstoffe kommen insbesondere elektrisch leitende Überzugsmassen, elektrisch leitende Klebstoffe, elektrisch leitende Kunststoffe oder elektrisch leitende Elastomere in Betracht.

Das druckempfindliche Widerstandselement der Erfindung wird dadurch hergestellt, daß die nach einer der vorstehend beschriebenen Arten ausgebildeten Elektroden auf die beiden einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen des anisotrop elektrisch leitenden Folienkörpers aus, dem Verbundmaterial aufgebracht und mit diesem verbunden werden. Dabei können die Elektroden direkt homogen mit der Folie verbunden werden, beispielsweise durch Aufpressen. Vorzugsweise werden jedoch die Elektroden und der Folienkörper durch eine Schicht eines elektrisch schlecht leitenden oder elektrisch leitenden Klebstoffs, eines druckempfindlichen Klebstoffs oder anderer plastisch fließfähiger Werkstoffe miteinander verbunden. Zum Verbund der Elektroden mit der Folienoberfläche können auch sehr dünne Filme eines gequollenen oder erweichten synthetischen Gummis oder ein dünnes Tuch oder Netz eines elektrisch isolierenden Werkstoffs dienen, die zwischen die Elektrode und die Oberfläche der aus dem Verbundwerkstoff bestehenden Folie eingefügt werden. Wenn auf diese Weise zwischen dem Folienkörper aus dem Verbundwerkstoff und die Elektroden eine elektrisch isolierende oder schlecht leitende Schicht eingefügt wird, muß die Gesamtstruktur des Elementes selbstverständlich so ausgelegt sein, daß die Stirnflächen der elektrisch leitenden Fasern des Gummikörpers und die Elektroden zumindest unter Einwirkung einer Druckkraft elektrisch leitend miteinander in Kontakt gelangen.

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In der vorstehend beschriebenen Weise wird also das druckempfindliche Widerstandselement der Erfindung dadurch erhalten, daß die Elektroden fest auf die beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen der Folie aus dem Verbundwerkstoff aufgebracht und zu einer einheitlichen Baueinheit mit diesem gummiartigen Folienkörper verbunden werden. Dabei sind die Gestalt und die Abmessungen der aufeinander-liegenden Flächen des Folienkörpers und der Elektroden prinzipiell nicht von ausschlaggebender Bedeutung und können nach anwendungstechnischen Gesichtspunkten festgelegt xverden. Entscheidend ist nur, daß die elektrisch leitenden Fasern in dem Gummikörper zumindest im wesentlichen senkrecht zu den beiden einander gegenüberliegenden Hauptflächen des Folienkörpers ausgerichtet sind. Ein solcherart aufgebautes druckabhängiges elektrisches Widerstandselement liefert in entsprechenden Geräten und Schaltstufen einen gleichmäßigen, reproduzierbaren und glatten Verlauf der Änderung des elektrischen Widerstandes zwischen den beiden Elektroden als Funktion der auf diese Elektroden einwirkenden Kraft« Die so hergestellten Widerstandselemente zeichnen sich vor allem durch eine hohe Reproduzierbarkeit der Kenndaten auch noch nach langer Einsatzzeit aus.

Die eigentliche Ursache und der Mechanismus der in solchen Widerstandselementen bewirkten druckabhängigen Widerstandsänderungen ist nicht restlos klar, kann aber vermutlich wie folgt verstanden werden: Wie bereits oben erläutert, erstrecken sich nicht alle der in die elektrisch anisotrop leitfähige Folie eingearbeiteten elektrisch leitenden Fasern durchgehend von einer zur gegenüberliegenden Oberfläche der Folie. Ein beachtlicher Anteil dieser Fasern ist kürzer als der Folienkörper dick ist. Diese Fasern tragen daher im unbelasteten Zustand nicht zur elektrischen Leitung zwischen den beiden Elektroden bei. Diese kürzeren Fasern werden dann erst allmählich und nacheinander mit zunehmender auf die Elektroden einwirkender Kraft mit den

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Elektroden selbst elektrisch leitend in Kontakt gebracht. Dies wird dadurch bewirkt, daß unter zunehmender Krafteinwirkung senkrecht zu den Hauptoberflächen der Folie diese Folie zunehmend stärker im Sinne einer Verminderung ihrer Dicke verformt wird. Dies führt zu einer zunehmend stärkeren Beteiligung der kürzeren Fasern an der elektrischen Leitung zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Elektroden und damit zu einer allmählichen Abnahme des elektrischen Widerstandes zwischen diesen Elektroden als Funktion der einwirkenden Druckkräfte.

Zur näheren Untersuchung dieses Mechanismus sind folgende Prüfungen durchgeführt worden: Kohlenstoffasern mit einem Durchmesser von 7 μπι und einer Länge von 3 mm werden mit einem Anteil von 5 Gew.-% in eine im Handel erhältliche Siliconguiranimischung eingearbeitet, die geringe Anteile Vernetzer enthält. Die Mischung wird in einem herkömmlichen Schneckenextruder plastifiziert und zu einer Rundschnur extrudiert. Das Extrudat wird durch Erwärmen vernetzt. Aus dem so erhaltenen vulkanisierten Profilmaterial werden senkrecht zur Längsachse des Profils Scheibchen unterschiedlicher Stärke geschnitten. d±q _auf diese Weise hergestellten unterschiedlich dicken Prüflinge des elektrisch anisotrop leitenden gummielastischen Werkstoffs werden unter dem Mikroskop auf die Anzahl η der Fasern hin untersucht, die sich durchgehend von einer Oberfläche der Folienscheibe bis zur gegenüberliegenden Oberfläche der Folienscheibe erstrecken. Die Angabe dieser Anzahl η an Fasern ist dabei auf die Anzahl je mm² gezogen. Ausserdem wird das Verhältnis dieser sich von Oberfläche zu Oberfläche erstreckenden Fasern zur Anzahl aller im Prüfling vorhandener Fasern bestimmt, und zwar bezogen auf die Einheitsfläche. Dieses in Prozent angegebene

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Verhältnis ist abgekürzt mit Sf bezeichnet. Das Ergebnis dieser Prüfung ist in der Fig« 1 graphisch dargestellt, wobei in dieser Darstellung Sf als Funktion der Folienstärke aufgetragen isto

Der Fig. 1 kann beispielsweise entnommen werden, dass für ein solcherart hergestelltes Folienscheibchen mit einer Stärke von 0,20 mm nur ungefähr 25 % der elektrisch leitenden Fasern sich durchgehend von einer zur gegenüberliegenden Oberfläche erstrecken. Ungefähr 75 % der in dem Folienplättchen eingebetteten Fasern ist also kürzer als 0,20 mm und reicht nicht durch das gesamte Folienplättchen hindurch. Wird dieses Plättchen nun fest auf seinen beiden Hauptoberflächen mit ej-andsr gegenüberliegenden Elektroden zu einer einheitlichen Baueinheit verbunden und wird dieses so mit Elektroden versehene Folienplättchen mit einer Kraft beaufschlagt, die seine Dicke vermindert, so nimmt die absolute und prozentuale Anzahl derjenigen Fasern im Folienplättchen zu, die sich durchgehend von einer der Oberflächen des Plättchens zur gegenüberliegenden Oberfläche erstrecken. Sie treten damit auch mit den Elektroden in Verbindung, die auf den einander gegenüberliegenden Plättchenoberflächen befestigt sind und tragen so zur elektrischen Leitung zwischen beiden Elektroden über den gummielastischen Körper hinweg bei. Dies vermindert mit anderen Worten den elektrischen Widerstand zwischen den Elektroden.

Durch die Gegenwart der Fasern in der Elastomermatrix sind die druckempfindlichen Widerstandselemente der Erfindung auch elastischer und ermüdungsfreier als vergleichbare bekannte Elemente. Für das Widerstandselement der Erfindung werden verbesserte mechanische Kenndaten, insbesondere ein verbesserter Druckverformungsrest, gemessen. Selbst nach zahlreichen Druck-Entlastungs-Zyklen werden die Widerstandskennlinien reproduzierbar eingehalten. Diese Wider-

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Standskennlinien mit Widerstandsänderungen in sehr breiten Bereichen können durch eine sorgfältige Auswahl des Werkstoffs der elektrisch leitenden Fasern und deren Mischungsanteil in breitem Rahmen verändert werden»

In der Fig. 2 ist eine Grundstruktur des druckempfindlichen Widerstandselementes der Erfindung im Schnitt gezeigt. Das aus dem elektrisch anisotrop leitenden und aus dem Verbundwerkstoff bestehende Folienscheibchen 1 ist auf seinen beiden einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen fest mit Elektroden 2 verbunden, die über Zuleitungen 3 an einen elektrischen Schaltkreis angeschlossen werden können. Das in Fig. 2 gezeigte druckempfindliche Widerstandselement ist für die praktische Anwendung in einen an sich bekannten und daher in den Figuren nicht dargestellten Drucküberträger oder Druckerzeuger eingespannt, dessen in Richtung auf eine Verminderung der Schichtdicke des Folienplättchens wirkende Kraft in jeweils aufeinander zu gerichtete Richtung auf die beiden Elektroden 2 übertragen wird.

In den Figuren 3 und 4 sind zwei abgewandelte Ausbildungen der in Fig. 2 gezeigten Struktur dargestellt. Durch die Wahl von jeweils verschiedenen der vorgesehenen Anschlüsse bis 3r können weitgehend verschiedene Widerstandswerte und Widerstandskennlinien erzeugt v/erden, und zwar wiederum mit ein und demselben Verbundwerkstoff, aus dem auch das Folienplättchen 1 der in Fig. 2 gezeigten Struktur hergestellt ist.

In der Fig. 5 ist eine Struktur gezeigt, die gegenüber der in Fig. 2 gezeigten Struktur insofern eine Abwandlung ist, dass in der Struktur nach Fig. 5 zwei Zwischenschichten 4 aus elektrisch isolierendem fliessfähigem Werkstoff zwischen die Elektroden 2 und das Folienplättchen 1 eingefügt sind.

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Die Schichten 4 haben die Plastizität eines Gummielastomers mit sehr geringer Härte „ Diese Zv/ischenschichten 4 dienen vor allem dem Zweck, jedes Eindringen von Feuchtigkeit in die Grenzfläche zwischen dem Folienscheibchen 1 und den Elektroden 2 auszuschliessen. Die Zuverlässigkeit des Widerstandselementes kann durch diese Massnahme spürbar verbessert werden.

In der Fig* 6 ist ein weiteres Äusführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellte Das druckabhängige Widerstandselement ist eine Schichtstruktur, deren Kern wiederum die elektrisch anisotrop leitende Folie oder Folienscheibe 1 aus dem Kombinationswerkstoff ist. Auf einer Seite dieser Folienscheibe 1 sind mehrere drahtförinige oder bandförmige Elektroden 2^! als Elektrodensats angeordnet. Die Elektroden 2" sind parallel zueinander in einer ersten Richtung verlaufend ausgerichtet. Ein gleichartiger zweiter Satz solcher drahtförmigen oder bandförmigen Elektroden 2" ist auf der gegenüberliegenden Oberfläche der Folienscheibe 1 angebracht= Die einzelnen Elektroden dieses Elektrodensatzes verlaufen ebenfalls parallel zueinander. Die Elektroden 2" sind zv/ar planparallel,aber in ihrer Ausrichtung senkrecht zum Satz der ersten Elektroden 2¹ ausgerichtet. Zwischen den Elektroden 2' bzw. 2" und den Oberflächen des Folienplättchens 1 ist jeweils eine plastisch verformbare Zwischenschicht 4 angeordnet. Aussen auf den beiden Sätzen von Elektroden 2' und 2" sind schliesslich als äusserste Schichten flexible Schichten 5 aufgebracht. Diese Schichten dienen als äussere Schutz- und Abdeckschichten und bestehen aus elektrisch isolierendem Werkstoff. Bei dieser Anordnung der Elektroden kann die in Fig. 6 gezeigte Struktur beispielsweise als Eingabecodiermatrix für die verschiedensten Eingabegeräte dienen. Wird bei-

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spielsweise ein Druckgeber,, beispielsweise ein Druckknopf oder eine Taste, mit spitzen Stiften verwendet, die entsprechend dem jeweils festgelegten Code nur auf bestimmten Kreuzungspunkten zwischen den Elektrodenscharen 2' und 2" aufsetzen, so kann an den Ausgängen der sich jeweils kreuzenden und in ihren Kreuzungspunkten aktivierten Elektrodenleitungen ein entsprechend codiertes Signal abgenommen werden.

Die vorstehend angedeuteten und beschriebenen Elektrodenanordnungen können selbstverständlich auf die vielfältigste Weise auch mit komplizierten Flächenstrukturen abgewandelt werden. So können die Elektroden beispielsweise nach Art gedruckter Schaltungen elektrische Leiterbahnen mit bestimmtem Verlauf und bestimmter Funktion sein. Dem Grundgedanken der Erfindung sind in seiner Anwendung in dieser Richtung keine Grenzen gesetzt,

Ausführungsbeispiel;

Ein Gemisch aus 100 Gew.-Teilen einer im Handel erhältlichen Silicongummimischung mittlerer Qualität, 5 Gew.-Teile im Handel erhältlicher Kohlenstoffasern mittlerer Güte mit einem Durchmesser von 10 μ und einer Länge von 3 mm und 1,5 Gew.-Teile Vernetzungsmittel werden in herkömmlicher Weise zu einer Rundschnur mit einem Durchmesser von 3 mm extrudiert. Das extrudierte Profil wird anschliessend 10 min bei 250 ⁰C vernetzt.

Das so vernetzte und hergestellte gummielastische Elastomer wird anschliessend senkrecht zur Extrusionsachse in 0,2 mm dicke Scheibchen geschnitten. Mit einem dieser Scheibchen wird eine Sandwichstruktur durch Aufbringen je einer Elektrode auf je eine der beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen des Scheibchens hergestellt. Die eine dieser Elektroden hat einen Durchmesser von 1 mm, die Gegenelektrode

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einen Durchmesser von 3 ism., Bei Belasten der Struktur senkrecht zu ihrer Radialflache mit einer Masse von 40 g wird eine maximale Verformung des Elastomers beobachtet, die zu einer Verminderung der Dicke des Elastomerscheibchens von 30 % führt.

Dieser Prüfling wird anschliessend variablen Lasten bis zu diesem Grenzwert von 40 g ausgesetzt. Der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden wird dabei als Funktion der Last gemessen. Die Ergebnisse sind in der Fig. 7 graphisch in der Kurve A dargestellt, wobei in der Darstellung der Fig. 7 der elektrische Widerstand als Funktion der prozentualen Abnahme der Folienstärke unter der Last aufgetragen ist. In dies-iS Lastbereich wird der Prüfling 1 Million zyklischen kontinuierlichen Belastungen und Entlastungen ausgesetzt. Anschliessend wird die Widerstandskennlinie erneut aufgenommen. Diese Kennlinie zeigt keinerlei Abweichung von der ursprünglich aufgenommenen Kennlinie A.

Der vorstehend beschriebene Versuch wird mit der Abänderung wiederholt, dass jede der beiden Hauptoberflächen des folienartigen Plättchens aus dem Verbundwerkstoff mit einer 20 pm dicken Schicht eines 4 Gew.-% eines Vernetzers enthaltenden Siliconklebstoffmasse überzogen und anschliessend 30 min bei 150 ⁰C vernetzt und dann abgekühlt wird. Dann werden in der vorstehend beschriebenen Weise die Elektroden aufgebracht. Der elektrische Widerstand zwischen den Elektroden dieses Widerstandselementes wird in der vorstehend beschriebenen Weise gemessen. Dabei wird die in der Fig. 7 dargestellte Kurve B erhalten. Nach 1 Million zyklischer Belastungen und Entlastungen des druckempfindlichen Widerstandselementes wird die Kennlinie erneut aufgenommen. Dabei wird eine Kennlinie erhalten, die gegenüber der Kennlinie B in Fig. 7 praktisch unverändert ist.

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Die Kennlinien A und B werden bei 25 ⁰C mit einem digital anzeigenden Ohmmeter aufgenommen«

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Claims

Patentansprüche

ί 1.j Druckempfindliches elektrisches Widerstandselement, das einen elektrisch anisotrop leitfähigen Folienkörper aus einem Verbundwerkstoff enthält, dadurch gekennzeichnet , dass der Folienkörper aus einem gummiartigen Elastomer als Matrix und elektrisch leitenden Fasern besteht, die in dieser Matrix im wesentlichen senkrecht zur Hauptebene des Folienkörpers ausgerichtet dispergiert sind, und durch Elektroden, die auf den einander gegenüberliegenden Hauptoberflächen des elektrisch anisotrop leitfähigen Folienkörpers befestigt sind.
2. Druckempfindliches Widerstandselement nach Anspruch 1,

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dadurch gekennzeichnet , dass zumindest ein Teil der elektrisch leitenden Fasern eine Länge besitzen, die kleiner als die Dicke der Folie ist.
3. Druckempfindliches Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet , dass die elektrisch leitfähigen Fasern Kohlenstofffasern sind.
4. Druckempfindliches Widerstandselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

dadurch gekennzeichnet , dass das elektrisch isolierende gummiartige Elastomer ein Silicongummi ist.

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